バルブはパイプラインシステムの重要な構成要素であり、化学プラントでは金属バルブが最も広く使用されています。バルブの主な機能は、パイプラインや機器の開閉、絞り、そして安全な運転の確保です。そのため、金属バルブを正しく適切に選択することは、プラントの安全性と流体制御システムにおいて重要な役割を果たします。
1. バルブの種類と用途
エンジニアリング分野には多くの種類のバルブがあります。流体の圧力、温度、物理的・化学的特性の違いにより、流体システムの制御要件も異なり、ゲートバルブ、ストップバルブ（スロットルバルブ、ニードルバルブ）、チェックバルブ、プラグバルブなどがあります。化学プラントでは、バルブ、ボールバルブ、バタフライバルブ、ダイヤフラムバルブが最も広く使用されています。
1.1ゲートバルブ
一般的には流体の開閉を制御するために使用され、流体抵抗が小さく、密閉性が良好で、媒体の流れ方向が制限されず、開閉に必要な外力が小さく、構造の長さが短いという特徴があります。
バルブステムは、露出ステムと隠蔽ステムに分けられます。露出ステムゲートバルブは腐食性媒体に適しており、主に化学工学分野で使用されます。隠蔽ステムゲートバルブは主に水路で使用され、主に低圧で非腐食性媒体で使用される場合があり、鋳鉄製や銅製のバルブなどがこれに該当します。ゲート構造には、ウェッジゲートとパラレルゲートがあります。
ウェッジゲートはシングルゲートとダブルゲートに分けられます。パラレルラムは主に石油・ガス輸送システムに使用され、化学プラントではあまり使用されません。
1.2ストップバルブ
主に遮断に使用されます。ストップバルブは流体抵抗が大きく、開閉トルクも大きく、流れ方向の要件があります。ゲートバルブと比較して、グローブバルブには以下の利点があります。
（１）開閉過程におけるシール面の摩擦力がゲートバルブの摩擦力より小さく、耐摩耗性に優れている。
（２）開口高さはゲートバルブより小さい。
（３）グローブバルブは通常、シール面が１つしかなく、製造工程が良好で、メンテナンスに便利です。
グローブバルブもゲートバルブと同様に、明ロッドと暗ロッドを備えているため、ここでは説明を省略します。バルブ本体の構造の違いにより、ストップバルブにはストレート型、アングル型、Y型があります。ストレート型が最も広く使用され、アングル型は流体の流れ方向が90°変化する場合に使用されます。
また、スロットルバルブやニードルバルブもストップバルブの一種であり、通常のストップバルブよりも強力な調整機能を持っています。
1.3チェクバルブ
チェックバルブは一方向弁とも呼ばれ、流体の逆流を防止するために使用されます。そのため、チェックバルブを設置する際には、流体の流れ方向がチェックバルブの矢印の方向と一致するように注意してください。チェックバルブには多くの種類があり、各メーカーから異なる製品が提供されていますが、構造上、主にスイング式とリフト式の2種類に分けられます。スイングチェックバルブには、主にシングルバルブ式とダブルバルブ式があります。
1.4バタフライバルブ
バタフライバルブは、浮遊物質を含む液体媒体の開閉および絞りに使用されます。流体抵抗が小さく、軽量で、構造サイズが小さく、開閉が迅速です。大口径のパイプラインに適しています。バタフライバルブは一定の調整機能を備えており、スラリー輸送も可能です。かつては加工技術が遅れていたため、バタフライバルブは水系で使用されてきましたが、プロセス系ではほとんど使用されていませんでした。しかし、材料、設計、加工技術の進歩に伴い、バタフライバルブはプロセス系でますます多く使用されるようになりました。
バタフライバルブには、ソフトシールとハードシールの2種類があります。ソフトシールとハードシールのどちらを選択するかは、主に流体媒体の温度によって決まります。相対的に言えば、ソフトシールのシール性能はハードシールよりも優れています。
ソフトシールには、ゴム製とPTFE（ポリテトラフルオロエチレン）製の2種類があります。ゴムシートバタフライバルブ（ゴムライニングバルブ本体）は主に水道システムで使用され、センターライン構造をしています。このタイプのバタフライバルブは、ゴムライニングのフランジがガスケットの役割を果たすため、ガスケットなしで設置できます。PTFEシートバタフライバルブは主にプロセスシステムで使用され、一般的に片側偏心または両側偏心構造となっています。
ハードシールには、ハード固定シールリング、多層シール（ラミネートシール）など、多くの種類があります。メーカーの設計が異なる場合が多いため、漏れ量も異なります。ハードシールバタフライバルブの構造は、熱膨張補正と摩耗補正の問題を解決できる三重偏心構造が好ましいです。二重偏心または三重偏心構造のハードシールバタフライバルブは双方向シール機能も備えており、その逆方向（低圧側から高圧側）のシール圧力は、正方向（高圧側から低圧側）の80%以上である必要があります。設計と選定はメーカーと協議する必要があります。
1.5 コックバルブ
プラグバルブは流体抵抗が小さく、シール性能が良好で、耐用年数が長く、双方向シールが可能なため、高危険度または極めて危険な物質によく使用されますが、開閉トルクが比較的大きく、価格も比較的高価です。プラグバルブのキャビティ内に液体が溜まらず、特に断続装置内の物質が汚染を引き起こすことはありませんので、場合によってはプラグバルブを使用する必要があります。
プラグバルブの流路は、直線、三方、四方に分けられ、ガスや液体の流体の多方向分配に適しています。
コックバルブは、無潤滑式と潤滑式の2種類に分けられます。強制潤滑式の油封プラグバルブは、強制潤滑によりプラグとプラグのシール面との間に油膜を形成します。これにより、シール性能が向上し、開閉が省力化され、シール面の損傷も防止されますが、潤滑による材料汚染を考慮する必要があり、定期的なメンテナンスには無潤滑式が適しています。
プラグバルブのスリーブシールはプラグ全体を連続的に囲むため、流体がシャフトに接触することはありません。さらに、プラグバルブには金属複合ダイヤフラム層を第二シールとして備えているため、外部漏れを厳密に抑制できます。プラグバルブには通常パッキングは不要ですが、特別な要件（外部漏れを許容しないなど）がある場合は、第三シールとしてパッキングが必要となります。
プラグバルブの設計構造により、プラグバルブはオンラインでシールバルブシートを調整できます。長期間の使用によりシール面が摩耗しますが、プラグはテーパー形状であるため、バルブカバーのボルトで押し下げることで、プラグがバルブシートにしっかりと密着し、シール効果が得られます。
1.6ボールバルブ
ボールバルブの機能はプラグバルブと似ています（ボールバルブはプラグバルブの派生形です）。ボールバルブはシール効果が優れているため、広く使用されています。ボールバルブは開閉が速く、開閉トルクはプラグバルブよりも小さく、抵抗が非常に小さく、メンテナンスが簡単です。スラリー、粘性流体、媒体パイプラインなど、シール要件が高い用途に適しています。また、価格が安いため、ボールバルブはプラグバルブよりも広く使用されています。ボールバルブは、ボールの構造、バルブ本体の構造、流路、シート材質によって大きく分類されます。
球面構造の違いにより、浮動式ボールバルブと固定式ボールバルブに分類されます。前者は主に小口径に使用され、後者は大口径に使用され、一般的にDN200（クラス150）、DN150（クラス300、クラス600）を境界としています。
バルブ本体の構造により、ワンピース型、ツーピース型、スリーピース型の3種類があります。ワンピース型には、トップマウント型とサイドマウント型の2種類があります。
ランナーの形状によって、全径と縮径があります。縮径ボールバルブは、全径ボールバルブよりも材料が少なく、安価です。プロセス条件が許せば、優先的に検討できます。ボールバルブの流路は、ストレート、三方、四方に分けられ、ガスや液体の流体を多方向に分配するのに適しています。シートの材質によって、ソフトシールとハードシールがあります。可燃性媒体で使用する場合、または外部環境が燃焼する可能性がある場合は、ソフトシールボールバルブに帯電防止および耐火設計を施す必要があり、メーカーの製品はAPI607に準拠した帯電防止および耐火テストに合格する必要があります。ソフトシールバタフライバルブとプラグバルブにも同じことが当てはまります（プラグバルブは火災テストでのみ外部の防火要件を満たすことができます）。
1.7ダイヤフラムバルブ
ダイヤフラムバルブは両方向のシールが可能で、低圧、腐食性スラリー、または懸濁した粘性流体媒体に適しています。また、作動機構が媒体流路から分離されているため、流体は弾性ダイヤフラムによって遮断され、食品産業や医療・健康産業の媒体に特に適しています。ダイヤフラムバルブの動作温度は、ダイヤフラム材料の耐熱性に依存します。構造上、直通型と堰型に分けられます。
2. 端部接続形状の選択
バルブ端の一般的な接続形式には、フランジ接続、ねじ接続、突合せ溶接接続、ソケット溶接接続などがあります。
2.1 フランジ接続
フランジ接続は、バルブの取り付けと取り外しを容易にします。バルブ端フランジのシール面形状は、主にフルサーフェス（FF）、レイズドサーフェス（RF）、コンケーブサーフェス（FM）、タングアンドグルーブサーフェス（TG）、リング接続サーフェス（RJ）です。APIバルブに採用されているフランジ規格は、ASMEB16.5などのシリーズです。フランジバルブには、クラス125やクラス250といったグレードが見られる場合があります。これは鋳鉄フランジの圧力グレードです。クラス150やクラス300の接続サイズと同じですが、最初の2つのシール面はフルプレーン（FF）です。
ウェーハバルブとラグバルブもフランジ付きです。
2.2 突合せ溶接接合
突合せ溶接継手は強度が高く、密閉性も良好なため、化学システムにおいて突合せ溶接で接続されたバルブは、主に高温、高圧、毒性の強い媒体、可燃性、爆発性のある状況で使用されます。
2.3 ソケット溶接とねじ接続
通常、公称サイズが DN40 を超えない配管システムに使用されますが、隙間腐食が発生する流体媒体には使用できません。
毒性や可燃性が高い媒体を流すパイプラインでは、ねじ接続は使用しないでください。また、繰り返し荷重がかかる状況でも使用しないでください。現在、プロジェクト内の圧力が高くない場合に使用されています。パイプラインのねじ形状は主にテーパー管用ねじです。テーパー管用ねじには2つの規格があり、円錐頂角はそれぞれ55°と60°です。この2つは互換性がありません。可燃性または非常に危険な媒体を流すパイプラインで、設置にねじ接続が必要な場合は、この時点での呼び径はDN20を超えてはならず、ねじ接続後にシール溶接を行う必要があります。
3. 材質
バルブの材料には、バルブハウジング、内部部品、ガスケット、パッキン、ファスナーなどの材料が含まれます。バルブ材料は多岐にわたり、また紙面の都合上、本稿では代表的なバルブハウジング材料についてのみ簡単に紹介します。鉄系金属シェルの材料には、鋳鉄、炭素鋼、ステンレス鋼、合金鋼などがあります。
3.1 鋳鉄
ねずみ鋳鉄（A1262B）は一般的に低圧バルブに使用され、プロセスパイプラインへの使用は推奨されません。ダクタイル鋳鉄（A395）の性能（強度と靭性）はねずみ鋳鉄よりも優れています。
3.2 炭素鋼
バルブ製造において最も一般的な炭素鋼材料は、A2162WCB（鋳造）とA105（鍛造）です。400℃を超える高温で長時間使用される炭素鋼は、バルブの寿命に影響を与えるため、特に注意が必要です。低温用バルブでは、A3522LCB（鋳造）とA3502LF2（鍛造）が一般的に使用されます。
3.3 オーステナイト系ステンレス鋼
オーステナイト系ステンレス鋼は、通常、腐食性環境または極低温環境で使用されます。一般的に使用される鋳鋼はA351-CF8、A351-CF8M、A351-CF3、A351-CF3Mです。また、一般的に使用される鍛造品はA182-F304、A182-F316、A182-F304L、A182-F316Lです。
3.4合金鋼材
低温用バルブでは、A352-LC3（鋳造）やA350-LF3（鍛造）が一般的に使用されます。
高温用バルブでは、A217-WC6（鋳造）、A182-F11（鍛造）、およびA217-WC9（鋳造）、A182-F22（鍛造）が一般的に使用されています。WC9とF22は2-1/4Cr-1Moシリーズに属し、1-1/4Cr-1/2Moシリーズに属するWC6とF11よりもCrとMoの含有量が多いため、高温クリープ耐性が優れています。
4. ドライブモード
バルブの操作は通常、手動モードを採用します。バルブの公称圧力が高い場合や公称サイズが大きい場合、手動でバルブを操作することが困難なため、ギア伝動装置などの操作方法を使用できます。バルブの駆動モードの選択は、バルブの種類、公称圧力、公称サイズに応じて決定する必要があります。表1は、異なるバルブにおけるギア駆動の検討条件を示しています。メーカーによってこれらの条件は若干異なる場合があり、交渉によって決定することができます。
5. バルブ選択の原則
5.1 バルブ選択時に考慮すべき主なパラメータ
（１）供給される流体の性質は、バルブの種類とバルブ構造の材料の選択に影響します。
（２）機能要件（調整または遮断）は主にバルブタイプの選択に影響します。
（３）運転条件（頻繁かどうか）は、バルブの種類とバルブの材質の選択に影響します。
（４）流動特性と摩擦損失
（５）バルブの公称サイズ（大きな公称サイズのバルブは限られた種類のバルブにしか存在しません）。
（６）自動閉鎖、圧力バランス等のその他の特別な要件。
5.2 材料の選択
（1）小径（DN≤40）には鍛造品が、大径（DN>40）には鋳造品が一般的に使用されます。鍛造弁体の端フランジは、一体型の鍛造弁体とすることが望ましいです。フランジが弁体に溶接されている場合は、溶接部の全数X線検査を実施する必要があります。
（２）突合せ溶接及びソケット溶接された炭素鋼バルブ本体の炭素含有量は0.25％以下、炭素当量は0.45％以下としなければならない。
注意：オーステナイト系ステンレス鋼の使用温度が425℃を超える場合、炭素含有量は0.04％以上でなければならず、熱処理状態は1040℃急冷（CF8）および1100℃急冷（CF8M）以上である必要があります。
（4）流体が腐食性で通常のオーステナイト系ステンレス鋼を使用できない場合は、904L、二相鋼（S31803など）、モネル、ハステロイなどの特殊な材料を検討する必要があります。
5.3 ゲートバルブの選択
（１）DN≦50の場合は通常、剛性シングルゲートを使用し、DN＞50の場合は通常、弾性シングルゲートを使用します。
（２）極低温システムのフレキシブルシングルゲートバルブの場合、高圧側のゲートにベント穴を開ける必要があります。
（3）低リークゲートバルブは、低リークが求められる作業条件で使用されるべきである。低リークゲートバルブには様々な構造があり、その中でもベローズ型ゲートバルブは化学プラントで一般的に使用されている。
（4）石油化学製造設備ではゲートバルブが最も多く使用されていますが、以下の状況ではゲートバルブを使用しないでください。
① 開口部の高さが高く、操作に必要なスペースが大きいため、操作スペースが狭い場合には適していません。
②開閉時間が長いため、素早く開閉する必要がある場合には適していません。
③ 固形物が沈殿する流体には適していません。シール面が摩耗し、ゲートが閉まらなくなります。
④ 流量調整には適していません。ゲートバルブが半開状態になると、流体がゲート背面で渦電流を発生させ、ゲートの侵食や振動を引き起こしやすく、バルブシートのシール面も損傷しやすくなります。
⑤ バルブを頻繁に操作すると、バルブシートの表面が過度に摩耗するため、通常はまれな操作にのみ適しています。
5.4 グローブバルブの選択
（1）同規格のゲートバルブと比較すると、遮断弁の構造長さが長く、加工・製造が面倒で、シール性能も小口径遮断弁ほど良くないため、DN250以下の配管に一般的に使用されます。
（２）遮断弁は流体抵抗が大きいため、浮遊物や粘度の高い流体媒体には適していません。
（3）ニードルバルブは、細径のテーパープラグを備えた遮断弁で、小流量の微調整やサンプリングバルブとして使用できます。通常は小口径に使用されますが、口径が大きい場合は調整機能も必要になり、スロットルバルブを使用することもできます。このとき、バルブのクラックは放物線のような形状になります。
（4）低漏洩が求められる作業条件では、低漏洩遮断弁を使用する必要があります。低漏洩遮断弁には様々な構造がありますが、化学プラントではベローズ型遮断弁が一般的に使用されています。
ベローズ型グローブバルブは、ベローズが短く、サイクル寿命が長いため、ベローズ型ゲートバルブよりも広く使用されています。しかし、ベローズバルブは高価であり、ベローズの品質（材質、サイクルタイムなど）と溶接がバルブの寿命と性能に直接影響するため、選定には細心の注意が必要です。
5.5 チェックバルブの選択
（1）水平リフト式逆止弁は、通常、DN≤50の場合に使用され、水平配管にのみ設置できます。垂直リフト式逆止弁は、通常、DN≤100の場合に使用され、垂直配管に設置されます。
（２）リフトチェックバルブはスプリング形式を選択でき、このときのシール性能はスプリングなしの場合より優れています。
（3）スイングチェックバルブの最小径は、通常DN> 50です。水平配管や垂直配管（流体は下から上へ流れる）に使用できますが、ウォーターハンマーが発生しやすいです。ダブルディスクチェックバルブ（ダブルディスク）は、ウェーハタイプであることが多く、最も省スペースのチェックバルブであり、パイプラインのレイアウトに便利で、特に大口径で広く使用されています。通常のスイングチェックバルブ（シングルディスクタイプ）のディスクは90°まで完全に開くことができないため、一定の流動抵抗があるため、プロセスで必要な場合は、特別な要件（ディスクの全開が必要）またはY型リフトチェックバルブを使用します。
（4）ウォーターハンマーが発生する可能性がある場合は、緩速閉鎖装置と減衰機構を備えた逆止弁の使用が考えられます。このタイプの弁は、配管内の流体を緩衝材として利用し、逆止弁が閉じた瞬間にウォーターハンマーを除去または軽減し、配管を保護し、ポンプの逆流を防止します。
5.6 プラグバルブの選択
（１）製造上の問題により、DN250以上の無給油プラグバルブは使用しないでください。
（２）バルブキャビティ内に液体が溜まらないことが求められる場合は、プラグバルブを選択する必要があります。
（３）ソフトシールボールバルブのシール性が要求を満たせず、内部漏れが発生した場合には、プラグバルブを代わりに使用することができる。
（4）温度変化が激しい作業環境においては、通常のプラグバルブは使用できません。温度変化によってバルブ構成部品やシール部材の膨張・収縮が異なるため、パッキンの長期収縮により、熱サイクル中にバルブステムに沿って漏れが発生します。このような場合、XOMOXのSevere serviceシリーズのような特殊なプラグバルブを検討する必要がありますが、これらは中国では生産できません。
5.7 ボールバルブの選択
（1）トップマウント型ボールバルブはオンラインで修理可能です。3ピース型ボールバルブは、一般的にねじ込み接続とソケット溶接接続に使用されます。
（２）パイプラインにボールスルーシステムがある場合は、フルボアボールバルブのみ使用できます。
（３）ソフトシールはハードシールよりシール効果が優れていますが、高温では使用できません（各種非金属シール材の耐熱性は同じではありません）。
（４）バルブキャビティ内に流体が溜まることを許さない場合には使用してはならない。
5.8 バタフライバルブの選択
（１）バタフライバルブの両端を分解する必要がある場合には、ねじ付きラグまたはフランジ付きバタフライバルブを選択する必要があります。
（２）中心線バタフライバルブの最小径は通常DN50であり、偏心バタフライバルブの最小径は通常DN80である。
（３）三重偏心PTFEシートバタフライバルブを使用する場合は、U字型シートを推奨します。
5.9 ダイヤフラムバルブの選定
（１）直通型は流体抵抗が低く、ダイヤフラムの開閉ストロークが長く、ダイヤフラムの寿命は堰型に比べて劣ります。
（２）堰堤型は流体抵抗が大きく、ダイヤフラムの開閉ストロークが短く、ダイヤフラムの寿命が直通型より優れている。
5.10 バルブ選択における他の要因の影響
（１）システムの許容圧力降下が小さい場合は、ゲートバルブ、ストレートボールバルブなど流体抵抗の少ないバルブ形式を選定する必要があります。
（2）急速な遮断が必要な場合は、プラグバルブ、ボールバルブ、バタフライバルブを使用してください。小口径の場合は、ボールバルブが適しています。
（3）現場で操作されるバルブのほとんどはハンドホイールを備えています。操作点からある程度の距離がある場合は、スプロケットや延長ロッドを使用することができます。
（4）粘性流体、スラリー、固体粒子を含む媒体の場合には、プラグバルブ、ボールバルブ、またはバタフライバルブを使用する必要があります。
（５）クリーンシステムの場合、プラグバルブ、ボールバルブ、ダイヤフラムバルブ、バタフライバルブが一般的に選択される（研磨要件、シール要件などの追加要件が求められる）。
（6）通常、クラス900を超える（クラス900を含む）およびDN≥50のバルブには圧力シールボンネット（Pressure Seal Bonnet）が使用され、クラス600未満の（クラス600を含む）バルブにはボルト締めバルブカバー（Bolted Bonnet）が使用されます。厳密な漏洩防止が求められる一部の使用条件では、溶接ボンネットが考慮される場合があります。一部の低圧・常温公共プロジェクトでは、ユニオンボンネット（Union Bonnet）が使用される場合もありますが、この構造は一般的にはあまり使用されていません。
（7）バルブを保温または保冷する必要がある場合には、ボールバルブとプラグバルブのハンドルをバルブステムとの接続部で長くしてバルブの断熱層を避ける必要がありますが、通常は150mm以下にしてください。
（８）口径が小さい場合、溶接や熱処理時に弁座が変形する恐れのあるときは、弁体を長くしたり、端部に短い管を設けたバルブを使用する必要があります。
（9）極低温システム（-46℃以下）用のバルブ（逆止弁を除く）は、ボンネットネック構造を延長する必要があります。バルブステムには、表面硬度を高めるための適切な表面処理を施す必要があります。これにより、バルブステム、パッキン、パッキングランドが傷つき、シール性能に悪影響を与えるのを防ぐことができます。
モデル選択にあたっては、上記の要素に加え、プロセス要件、安全性、経済性といった要素も総合的に考慮し、最終的なバルブ形状を決定する必要があります。また、バルブデータシートを作成する必要があります。一般的なバルブデータシートには、以下の内容が記載されている必要があります。
（１）バルブの名称、公称圧力および公称サイズ。
（２）設計及び検査の基準
（３）バルブコード
（４）バルブ構造、ボンネット構造およびバルブ端部接続部。
（５）バルブハウジング材料、バルブシートおよびバルブプレートシール面材料、バルブステムおよびその他の内部部品材料、パッキン、バルブカバーガスケットおよびファスナー材料など。
（６）ドライブモード。
（７）包装および輸送に関する要件
（８）内部および外部の腐食防止要件
（9）品質要求事項およびスペアパーツ要求事項
（10） 所有者の要求事項およびその他の特別な要求事項（表示等）。
6. 結論
バルブは化学システムにおいて重要な位置を占めています。パイプラインバルブの選定は、パイプラインで輸送される流体の相状態（液体、蒸気）、固形分、圧力、温度、腐食特性など、多くの側面に基づいて行う必要があります。さらに、信頼性が高くトラブルのない操作性、コストの妥当性、そして製造サイクルも重要な考慮事項です。
従来、エンジニアリング設計においてバルブの材料選定は、一般的にシェル材料のみを考慮し、内部部品などの材料選定は軽視されてきました。内部材料の不適切な選定は、バルブ内部のシール不良、バルブステムパッキン、バルブカバーガスケットの不具合につながり、耐用年数に影響を与え、当初期待していた使用効果が得られず、事故発生の要因となりやすいからです。
現状では、APIバルブには統一された識別コードがなく、国家標準バルブには識別方法が定められているものの、内部部品やその他の材質、その他の特殊要件を明確に表示することはできません。そのため、エンジニアリングプロジェクトでは、バルブデータシートを作成し、必要なバルブを詳細に記述する必要があります。これにより、バルブの選定、調達、設置、試運転、スペアパーツの手配が容易になり、作業効率が向上し、ミスの発生確率も低減されます。
投稿日時: 2021年11月13日